Serie LabVIEW in der Praxis Anlagenzustände mit inkrementalen Gebern charakterisieren

Im Rahmen eines Projektes der Fachhochschule Lausitz wurde ein Verfahren entwickelt, das Aussagen über den Zustand einer technischen Anlage, von den Gebern bis zu den Motoren, aus vorhandenen Signalen inkrementaler Geber ermöglicht. Dazu wurden Versuche sowohl im Labor als auch an Großgeräten vorgenommen. Unser Beitrag stellt das Mess- und Analyseverfahren sowie die verwendete Hardware und erste Ergebnisse vor.

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Eurocircuits GmbH

In der Industrie ist der Instandhaltungsaufwand ein wichtiger Kostenfaktor. Dabei lassen sich Instandhaltungsstrategien in drei Kategorien unterteilen: schadensorientierte,zeitorientierte und zustandsorientierte.

Wird eine Komponente bis zum Ausfall verwendet, wird das schadenorientiert genannt. Vorteil: die gesamte Lebensdauer wird ausgenutzt. Die Gefahr von Folgeschäden an andere Bauteile ist jedoch recht hoch. [1], [2]

Zeitorientierte und zustandsorientierte Instandhaltung sind vorbeugende Maßnahmen. Sämtliche Komponenten werden vor dem Ausfall gewechselt. Anhand prognostizierter Belastungsverläufe kann der Zeitpunkt eines Bauteilewechsels bei der zeitorientierten Instandhaltung ermittelt werden. Sind die angenommenen Belastungsverläufe zu hoch, führt die nichtgenutzte Restlebensdauer des Bauteils zu erhöhten Materialkosten.

Bei der zustandsbezogenen Strategie entscheidet der Anlagenzustand, ob Instandsetzungsmaßnahmen notwendig sind. Dazu sind effektive und zuverlässige Prüf- und Diagnosemethoden notwendig. Benötigte Daten über den Anlagenzustand lassen sich nur mit zusätzlichen Messaufwand und zusätzlicher Messtechnik bzw. modellbasierte Methoden beschaffen.

Aufgaben eines inkrementalen Gebers

Inkrementale Geber messen die Drehzahl und bestimmen die Position. Bei Vattenfall Europe Mining werden sie beispielsweise zum Regeln der Drehzahl an Gurtbandförder-Anlagen eingesetzt. Mit den gewonnenen Daten soll der Verschleiß dieser Komponenten vorgebeugt werden.

Das Messprinzip inkrementaler Geber beruht auf der fotoelektrischen Abtastung einer Impulsscheibe. Das Ausgangssignal ist eine rechteckförmige Spannung. Typische Impulszahlen sind 1024, 2000 und 8192.

Aufbau eines Geberversuchsstandes

Der Grundrahmen besteht aus Aluminiumprofilen gibt dem System die notwendige Stabilität. Auf diesem Grundrahmen sind die mechanischen und elektrischen Komponenten montiert.

Ein Drehstromasynchronmotor und ein Drehstromasynchrongenerator sind an einer Welle miteinander verbunden. Der Generator simuliert eine Last am Antriebsstrang. Die Drehstrommaschinen werden über Frequenzumrichter angesteuert. Verschiedene Drehzahlgeber und ein Tachogenerator befinden sich ebenfalls auf dem Prüfstand.

Hochauflösender inkrementaler Geber

Motorseitig ist ein hochauflösender Inkrementalgeber mit 8192 Impulsen und ein Inkrementalgeber mit 2000 Impulsen je Umdrehung montiert. Auf der Generatorseite befinden sich der Tacho-Generator und ein Standardgeber mit 1024 Impulsen je Umdrehung. Die Anbindung dieser Drehzahlsensoren an die Welle erfolgt über Flansche.

Anbaufehler lassen sich simulieren

Der Flansch verfügt über Kugelkopfschrauben, welche die Welle auf dem Geber ausrichtet. Verschiedene Anbaufehler wie Winkelversatz und Parallelversatz können mit den Kugelkopfschrauben simuliert werden. Die inkrementalen Geber verfügen über einen Hebelarm. Diese so genannte Drehmostütze ist mit dem Rahmen verbunden. Die Länge des Hebelarms und der Stütze sowie der Winkel zwischen Arm und Stütze der Drehmostütze haben Einfluss auf die Rundlaufgenauigkeit [3].

Messkarte mit 10 MHz Abtastrate

Mit einem 3-GHz-Rechner und einem Arbeitsspeicher von 2 GByte sowie der hochauflösenden Messkarte NI 6115 mit einer Abtastfrequenz von 10 MHz können die Messdaten aufgenommen werden.

Es soll ein Fehlerwert aus den vorhandenen Signalen ermittelt werden, damit zusätzliche Mess- oder Prüftechnik vermieden wird. Theoretisch haben alle Impulse bei einer konstanten Drehzahl die gleiche Dauer und den gleichen Winkel.

Drehschwebung ist Qualitätsmerkmal des Gebers

In der Praxis kommt es durch Fertigungstoleranzen zu Abweichungen. Aus den Abweichungen lässt sich ein Fehlerwert (Drehschwebung) berechnen. Die Drehschwebung ist ein Qualitätsmerkmal des Gebers. Die Drehschwebung hat aber noch weitere Einsatzmöglichkeiten. Im Versuch konnt nachgewiesen werden, dass die Drehschwebung im industriellen Einsatz auch von anderen Größen beeinflusst wird.

Aussage über Anbauqualität und Verschleißzustand

Mögliche Ursache sind: fehlerhafter Anbau, steigende Abnutzung und Einflüsse des Systems (mechanische Schwingungen). Somit lässt sich eine Aussage über die Anbauqualität und den Verschleißzustand machen.

Die Drehschwebung S berechnet sich aus den Messdaten wie folgt:

Die Anzahl der Messpunkte nmp (Abtastungen) während eines Impulses des inkrementalen Gebers bestimmt die zeitliche Länge des Impulses timp. Der Abtastabstand beträgt 100 ns (Abtastrate von 10.000.000 Messungen pro Sekunde). Der optimale σopt- und der reale σimp- Winkel lässt sich wie folgt berechnen:

Wobei n die Impulszahl des untersuchten Gebers ist. Die Drehschwebung ergibt sich dann aus der Summe der Differenzen aus realem und optimalem Winkel über die komplette Impulszahl.

Die folgende Abbildung zeigt die Drehschwebung eines intakten und eines defekten inkrementalen Gebers. Zu erkennen ist die Grunddrehschwebung am intakten inkrementalen Geber, die aus den Fertigungstoleranzen, der Drehzahlregelung und anderen äußeren Einflüssen resultiert. Einen deutlichen Anstieg weist die Drehschwebung bei einem defekten inkrementalen Geber auf.

[1] M. Sader, R. Noack, T. Jeinsch, S. X. Ding: „Modellgestützte Zustandserfassungs- und Diagnoseverfahren zur Unterstützung zustandsorientierter Instandhaltungsstrategien an Gurtförderanlagen“, Symposium Maritime Elektronik, 2004

[2] Sturm A.: „Zustandswissen für Betriebsführung und Instandhaltung“, Verlag VGB – Kraftwerkstechnik GmbH, 1996

[3] Johannes Hübner Fabrik elektr. Maschinen GmbH: Unterlagen über Gebertechnik und Prüfprotokolle, 2004

René Noack arbeitet an der Fachhochschule Lausitz im Fachbereich IEM in Senftenberg.

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